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Departamento de Engenharia Informática

Sistemas Distribuídos

Revisão de redes

Modelos e arquitecturas

13/14 Sistemas Distribuídos 1


A rede que interliga o

sistema distribuído

Revisão


2


Programação da comunicação: modelo

Processo Canal de comunicação

portoProcesso

API da

comunicação

modo utilizador modo sistema

rede

porto

transport

e

rede

lógic

o

físic

o



Redes de Dados

• Fornecer uma base mínima de compreensão das redes de dados

– Arquitectura

– Organização

– Protocolos

• Identificar os aspectos relevantes das redes de dados na concepção de sistemas distribuídos

Revisão


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Arquitectura Lógica

• Porquê uma arquitectura Lógica nas redes?

• A arquitectura lógica define as propriedades da rede, adequadas ao seu campo de aplicações

– Tipo de endereçamento

– Desempenho

– Garantia de entrega de mensagens

– Ordenação das mensagens

– Tolerância a faltas

– Endereçamento em difusão

– …

• A mesma arquitectura lógica pode ser realizada (com maior ou menor facilidade) sobre várias arquitecturas físicas



Características habituais das Arquitecturas Físicas

•Redes de Larga Escala–Transmissão ponto a ponto

–Banda passante com limitações mas tecnologias tradicionais

–Topologia malhada com redundância

–Necessidade de encaminhamento

–Grande escalabilidade

–Menor tolerância a faltas

•Redes Locais–Transmissão em difusão–Largura de Banda muito grande–Topologias de bus ou anel–Encaminhamento trivial–Menor escalabilidade–Maior tolerância a faltas


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Modelo de Referência

• Um Modelo de Referência, ou Família de Protocolos, define as características lógicas e físicas das redes• Normalmente divididos em níveis

• Os níveis são independentes mas estão relacionados

• Permitem várias realizações compatíveis

• cada nível corresponde a um nível de abstração necessário no modelo

• cada nível possui funções próprias e bem definidas• as funções de cada nível foram escolhidas segundo a definição dos protocolos

normalizados internacionalmente

• as fronteiras entre níveis devem ser definidas de modo a minimizar o fluxo de informação nas interfaces

• o número de níveis deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser colocadas na mesma nível • e, ao mesmo tempo, suficientemente pequeno que não torne a arquitectura

difícil de controlar.



• Funções: conseguir transmitir 1 bit de informação sobre meio físico de interligação

– Velocidade de propagação, atenuação, imunidade ao ruído, etc.

• Nível Físico define:– Níveis eléctricos do sinal, características

temporais

– Protocolos de codificação, baseados no funcionamento da rede (taxa de erros, recuperação de relógio, …)

– Placas de interface (network cards)• Interface eléctrica

• Aspectos mecânicos dos conectoresBus

Anel (ring)

Malha (mesh)

OSI - Nível Físico


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• Funções: transmissão de pacotes, ou tramas, entre máquinas ligadas à mesma rede física

• Nível Lógico define:– Delimitadores de trama

– Endereço físico do destinatário

– Multiplexagem do meio de transmissão (emissor)

– Detecção do endereço do destinatário (receptor)

– Definição da unidade básica de informação (bit, octeto)

– Recuperação de erros de transmissão

– Controlo de fluxo

Ethernet

ATMFrame

Relay

GPRS

UMTS

OSI - Nível Lógico ou

Ligação de Dados



OSI - Nível Rede

• Funções: interligar máquinas independentemente da rede física a que estão ligadas

• Uma rede lógica passa a ser composta pela interligação de várias redes físicas

• Nível Rede define:– Formato dos pacotes de dados

– Mecanismos de encaminhamento entre redes• Fundamental para redes malhadas

• Normalmente baseados em tabelas de encaminhamento

– Protocolo de rede OSI: X.25• Com ligação, sequencialidade, controlo de fluxo

– Protocolo de rede Internet: IP• Sem ligação nem garantias de qualidade

Rede IP


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• Funções: oferecer um serviço de transmissão de informação que permita a comunicação entre utilizadores finais

• Características– Com ou sem ligação

– Comunicação fiável• Garantia de entrega

• Garantia de ordem

– Segmentação

– Controlo de fluxo

– Notificação de excepções na comunicação

Nível TransporteRede TCP

Processo Utilizador

Processo Utilizador



A Internet como um Relógio de Areia

IP

TCP / UDP

Ethernet GPRS 802.11 BluetoothSatélite

Web Audio VoIP Web ServicesMail Video IM

Difícil de alterarPassível de alterações

Maior inovação


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Interfaces de Comunicação

• Interacção baseada na troca de mensagens • Facilidade de transporte para múltiplos sistemas

• Exploração das APIs normais de comunicação• Tipicamente da API de transporte (sockets)

• Cada aplicação possui um protocolo próprio

• Dificulta a utilização do protocolo por terceiros

• Desempenho porque é executado em modo utilizador

• telnet, rlogin, Winrdp-aplicações de terminal remoto

• ftp, samba – Transferência de ficheiros

• SMTP – Correio electrónico

Exemplos Problemas?



Interfaces de Comunicação

Máquina A

OS kernel

Níveis7 a 5

Sockets, TLI

Níveis3 a 1Níveis3 a 1

Máquina B

OS kernel

Níveis7 a 5

aplicação

Sockets, TLI

Níveis3 a 1

Níveis3 a 1

aplicação

Nível 4TransporteNível 4Transporte

Nível 4TransporteNível 4Transporte


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Caracterização do canal de Comunicação

• Com ligação

– Normalmente serve 2 interlocutores

– Normalmente fiável, bidireccional e garante sequencialidade

• Sem ligação

– Normalmente serve mais de 2 interlocutores

– Normalmente não fiável: perdas, duplicação, reordenação

• Canal com capacidade de armazenamento em fila de Mensagens

– Normalmente com entrega fiável das mensagens

Tipos de canais



Portos – Extermidades do Canal de

Comunicação

• Portos– São extremidades de canais de comunicação

• Em cada máquina são representados por objectos do modelo computacional local

– Possuem 2 tipos de identificadores:• O do objecto do modelo computacional

– Para ser usado na API pelos processos locais

– Ex.: File descriptors, handles

• O do protocolo de transporte– Para identificar a extremidade entre processos (ou

máquinas) diferentes

– Ex.: Endereços TCP/IP, URL


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Interface sockets

• Domínio do socket: define a família de protocolos associada a um socket– INET: família de protocolos Internet

– Unix: comunicação entre processos da mesma máquina

– Outros…

• Tipo do socket: define as características do canal de comunicação– Stream: canal com ligação, bidireccional, fiável, interface tipo

sequência de octetos

– Datagram: canal sem ligação, bidireccional, não fiável, interface tipo mensagem

– Raw: permite o acesso directo aos níveis inferiores dos protocolos (ex: IP na família Internet)



Sockets sem Ligação

socket

bind

recvfrom

sendto

socket

bind

sendto

recvfrom

ClienteServidor


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Sockets UDP em Java (Cliente)• import java.net*;

• import java.io*;

• public class UDPClient{

• public static void main(String args[]){

• // args give message contents and server hostname

• DatagramSocket aSocket = null;

• try {

• aSocket = new DatagramSocket();

• byte [] m = args [0].getBytes();

• InetAddress aHost = InetAddress.getByName(args[1]);

• Int serverPort = 6789;

• DatagramPacket request =

• new DatagramPacket(m, args[0].length(), aHost, serverPort);

• aSocket.send(request);

• byte[]buffer = new byte[1000];

• DatagramPacket reply = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

• aSocket.receive(reply);

• System.out.println(“Reply:” + new String(reply.getData()));

• } catch (SocketException e){System.out.println(“Socket:” + e.getMessage());

• } catch (IOException e){System.out.println(“IO:” + e.getMessage());

• } finally { if(aSocket ! = null) aSocket.close();}

• }

• }

Conversão do nome DNS para endereço IP

Constrói um socket datagram (associado a qualquer porto

disponível)

Cada mensagem enviada tem que

levar junto identificador do

processo destino: IP e porto



Sockets UDP em Java (Servidor)• import java.net*;


• public class UDPServer{


• DatagramSocket aSocket = null;

• try{

• aSocket = new DatagramSocket(6789);

• byte[] buffer = new byte [1000];

• while(true){

• DatagramPacket request = new DatagramPacket(buffer, buffer.legth);

• aSocket.receive(request);

• DatagramPacket reply = new DatagramPacket(request.getData(),

• request.getLength(); request.getAddress(), request.getPort());

• aSocket.send(reply);

• }

• } catch (SocketException e){System.outprintln(“Socket:”+ e.getMessage());

• } catch (IOException e){System.out.println(“IO:” + e.getMessage());

• } finally {if(aSocket ! = null) aSocket.close();}

• }

• }

Constrói um socket datagram (associado ao porto 6789)

Recebe mensagem

Extrai da mensagem o IP e porto do

processo origem para responder


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Sockets com Ligação

socket

bind

listen socket

connectaccept

read

write read

write

ClienteServidor

ClienteServidor

Socket

Cliente

Socket

Escuta

Socket

Ligação

bytes

bytes



• import java.net*;


• public class TCPClient{


• // args: message and destin. hostname

• Socket s = null;

• try{

• int server Port = 7896;

• s = new Socket (args[1], serverPort);

• DataInputStream = new DataInputStream(s.getInputStream());

• DataOutputStream out =

• newDataOutputStream (s.getOutputStream());

• out.writeUTF(args[0]);

• String data = in.readUTF();

• System.out.prtintln(“Received: ” + data);

• }catch (UnknownHostException e){

• System.out.println(“Sock:” + e.getMessage());

• }catch (EOFException e){System.out.println(“EOF:”e.getMessage());

• }catch (IOException e){System.out.println(“IO:”e.getMessage());

• }finally {if(s!=null) try{s.close();}catch (IOException e}

• }

• classe Socket – suporta o socket cliente. Argumentos: nome DNS do servidor e o porto.• Construtor não só cria o socket como efectua a ligação TCP

Métodos getInputStream / getOutputStream – permitem aceder aos dois streams definidos pelo socket

WriteUTF / readUTF –para Universal transfer format / para as cadeias de caracteres

Sockets Stream em Java (Cliente)


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• import java.net*;


• public class TCPServer{


• try{

• int server Port = 7896;

• ServerSocket listenSocket = new ServerSocket(serverPort);

• while(true){

• Socket connectionSocket = listenSocket.accept();

• myConnection c = new myConnection(connectionSocket);

• }

• }catch (IOException e){System.out.println(“Listen:”

• +e.getMessage());}

• }

• }

Bloqueia até cliente estabelecer ligação.

Cria socket servidor que fica à escuta no porto “serverPort”

Sockets Stream em Java (Servidor)

Cria novo socket servidor com quem é estabelecida ligação com o cliente e

onde os dados são recebidos



Aula prática – 1ª semana

• SocketClient.java

• SocketServer.java


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Integração da Comunicação no Sistema

Operativo



Integração da Comunicação no Sistema

Operativo

• As aplicações invocam uma API que lhes permite aceder ao mecanismos de transporte

• A API deve ser conceptualmente independente de uma determinada pilha de protocolos de transporte

• Alternativas de implementação– Funções de ES genéricas

• Ex: sockets – parcialmente

– Funções de comunicação específicas• Ex: Algumas funções dos sockets

• Ex: TLI

– Mecanismo básico de comunicação entre processos do sistema operativo

• Ex: IPC dos micro-núcleos


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Winsock Implementation

Application Mswsock.dll

SPI

Service Providers

NtReadFile, NtWriteFile,NtCreateFile,NTDeviceloControlFile

Kernel mode

User mode

\Device\AFD

AFD FSD

TCP/IPIPX/SPX

TDI IRPs

NetBEUI

TDI

Protocol drivers

Wshtcpip.dll

Ntdll.dll

Msafd.dll



Modelos arquitecturais


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Aplicações

Middleware

Sistema Operativo

Bibliotecas (DLL)ProtocolosServidores

Hardware

Plataformas

Os Sistemas Distribuídos são suportados por diversas componentes frequentemente designadas por plataformas de Middleware

Pla

tafo

rm

a

s d

e

Mid

dle

ware

Camadas de Software: o Middleware



Quem são as entidades que comunicam

através da rede num sistema distribuído?

• Processos ou tarefas

• Nós

– Em alguns sistemas primitivos não existe a abstracção de

processo ou tarefa

– Exemplo: redes de sensores

• Objectos

– Exemplo: objecto Java invoca método de outro objecto remoto

– Veremos mais adiante na cadeira

• Web Services

– Veremos mais adiante na cadeira

• Componentes

– (Fora do âmbito da cadeira)


Por omissão, assumiremos

sistema distribuído de processos

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Como comunicam estas entidades?



Est

ud

arem

os

amb

os

em b

rev

e

Comunicação directa

• Interface de comunicação entre-processos

• Invocação remota

– Protocolos de pedido-resposta

• Exemplo: HTTP

– Chamada remota de procedimentos

• Programador define conjunto de procedimentos que servidor

oferece

• Cliente pode invocar esses procedimentos como se tratassem de

chamadas locais

– Invocação remota de métodos

• Semelhante a chamada remota de procedimentos, mas no

mundo OO


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Papéis e responsabilidades



Modelo Cliente-Servidor

• Servidores mantêm recursos e servem pedidos de operações sobre esses recursos

• Servidores podem ser clientes de outros servidores

• Simples e permite distribuir sistemas centralizados muito directamente

• Mas pouco escalável: limitado pela capacidade do servidor e pela rede que o liga aos clientes

Server

Client

Client

invocation

result

Serverinvocation

result

Process:Key:

Computer:


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Modelo Entre-Pares (Peer-to-Peer)

• Todos os processos têm papéis semelhantes, sem distinção entre clientes e servidores

• Mais ampla distribuição de carga (computação e rede)

– Maior escalabilidade

– Sistema expande-se acrescentando mais pares

• Coordenação mais complicada que cliente-servidor

Application

Application

Application

Peer 1

Peer 2

Peer 3

Peers 5 .... N

Sharableobjects

Application

Peer 4



Entre-Pares (Peer-to-Peer)


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Como mapear objectos e serviços no

modelo físico?



Serviço Oferecido por Múltiplos Servidores

• Distribui carga do servidor por múltiplos servidores

• Duas opções:

– Particionamento: cada servidor mantém uma partição do conjunto de objectos

– Replicação: todos os servidores mantêm réplicas do mesmo conjunto de objectos

Server

Server

Server

Service

Client

Client


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Serviço Oferecido por Múltiplos Servidores



Servidores Proxy e Caches

• Mantêm cópias de sub-conjunto dos objectos num computador mais próximo dos clientes

• Melhor desempenho e disponibilidade

• Outros objectivos: por exemplo, acesso ao exterior através de firewall

Client

Proxy

Web

server

Web

server

serverClient


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Servidores Proxy e Caches



Código Móvel (Applets)

• Parte do código do servidor é transferido para o cliente e executado localmente

• Execução não sofre com atrasos de rede e variações de largura de banda

• Bom desempenho de aplicações interactivas

a) client request results in the downloading of applet code

Web

server

ClientWeb

serverApplet

Applet code

Client

b) client interacts with the applet


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Código Móvel (Applets)



Agentes móveis

• Programa em execução (código+dados) que viaja de um

computador para outro na rede

• Executa alguma tarefa em nome de alguém

• Em cada computador, invoca serviços locais (e.g. acesso

a BD local para consultar informação local)

• Comparado com a solução de ter um cliente remoto a

invocar os mesmos serviços remotamente:

– Menor custo e tempo de comunicação


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Modelos fundamentais




• Explicitam quais são as entidades e características

essenciais de um sistema

• Permitem-nos:

– Generalizar o o que é possível e impossível resolver nesse

modelo (por provas matemáticas

– Desenhar soluções mais facilmente, pois não pensamos nos

detalhes de hardware, etc

– Provar matematicamente propriedades das nossas soluções

• fiabilidade, desempenho, escalabilidade, segurança

– Determinar facilmente se determinada solução funciona num

sistema em particular

• basta verificar se os pressupostos do modelo usado para a

solução se verificam no sistema em particular


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• Logo, antes de desenhar qualquer solução, é

muito boa prática definir os modelos

fundamentais!

• Três modelos fundamentais:

– Modelo de interacção

– Modelo de faltas

– Modelo de segurança



Modelo de Interacção

• Pressupostos sobre o canal de comunicação?

– Latência, que inclui:

• Tempo de espera até ter acesso à rede +

• Tempo de transmissão da mensagem pela rede +

• Tempo de processamento gasto em processamento local para enviar e

receber a mensagem

– Largura de banda

• Quantidade de informação que pode ser transmitida simultaneamente

pela rede

– Jitter

• Que variação no tempo de entrega de uma mensagem é possível?

– Canal assegura ordem de mensagens?

– Mensagem pode chegar repetida?

• E sobre os relógios locais?

– Taxa com que cada relógio local se

desvia do tempo absoluto

Mais à frente no semestre, analisaremos modelos de

interacção em maior detalhe


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Modelo de Falhas

• Que componentes podem falhar?

• De que forma podem falhar?

• Por enquanto, assumiremos modelo simples:

– Processos podem falhar silenciosamente

– Mensagens podem perder-se na rede

Mais à frente no semestre, analisaremos outros modelos de falhas em maior detalhe



Modelo de Segurança

• Que ameaças existem sobre o sistema?

• Que ataques são possíveis?

• Por enquanto, assumiremos que não existem

quaisquer ameaças sobre o sistema

Mais à frente no semestre, analisaremos modelos de segurança mais realistas


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